煤岩蠕变声发射特征试验研究

文章编号 ： １ ０ ０ ５ － ０ ９ ３ ０（ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ５ ９ － ０ ０ ８
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ ４ ３ ９ ３ ０ ． ２ ０ １ ３ ． Ｏ １ ． ０ １ ７
煤 岩 蠕 变 声 发 射 特 征 试 验 研 究
声发射是岩石材料在外界应力作用下 ， 其 内部积聚的弹塑性能量达到某一临界值之 后引起微裂隙的产生与扩展 ， 同时伴随有弹性波或应力波释放的现象． 岩石压缩变形破坏 必然伴随声发射的产生 ， 声发射信息蕴含着丰富的岩石损伤渐进破坏的前兆信息 ］ ， 利 用岩石压缩破坏过程 中的声发射信息对岩石 的损伤渐进破坏过程进行 预测 ， 对监测矿 山 井 下煤 体 变形 及 煤柱 稳 定性 具 有 重要 意 义 ． 本文 利 用 ＭＴ Ｓ ８ １ ５岩石伺 服试 验机 和 Ａ Ｅ ２ １ Ｃ
平均蠕变系数为 ０ ． ５ ９ １ ． 与其它不同分级加载蠕变条件下 的岩石流变系数相比， 煤岩的蠕
变 系数 相对 较小 ¨ ．
本文 对 １ ＃ 煤样 的蠕变声 发射试验结果 进行分析 ． 图 ２为 ｌ ＃ 试件 在各级加 载水平上 的应 变 时间曲线 ， 从 图中可 以看 出 ： （ １ ） 在各 应力水平 上施 加应 力后 ， 立刻 产生 瞬时 弹性应 变 ， 在
了分级加载声发射试验． 试验结果分析表 明， 煤岩分级加载过程存在蠕 变应力
阈值 ， 在 达 到 该 阈值 之 前 ， 各 个 应 力水 平 上 的煤 岩 变形 很 不 明显 ， 当加 载 水 平 大 于该 阈值 时 才发 生 明 显蠕 变 变形 ． 在 瞬 态 蠕 变 阶段 ， 煤 岩试验研究
１ ６ １
２ ． ２ 煤 岩 蠕变试 验 结果
首先对葛亭矿 ３煤进行了单轴压缩试验 ， 测得其单轴压缩强度平均为 ２ ６ ． ８ Ｍ Ｐ ａ ． 根据测得的煤岩 的单轴抗压强度 ， 将轴 向应力预分为若干级 ， 由于该矿煤岩属于中等 坚硬煤层 ， 在试验时选择了较高的初始加载水平 ， 同一级试件上依次加载 １ ６ 、 ｌ ８ 、 ２ ０ 、 ２ ２ 、 ２ ４ 、 ２ ６ 、 ２ ８ ｋ Ｎ、 …， 直 至试 件发 生破 坏． 试 验测 得各 试件 蠕变试 验 结果 如表 １所示 ．
声发射仪对煤岩进行分级加载蠕变条件下的声发射试验 ， 对煤岩蠕变声发射特征及损伤
特 性进行 探 讨 ．
收稿 日期 ： ２ ０ １ １ － ０ ９ ４ ） ９； 修订 日期 ： ２ ０ １ ２ － ０ ２ － ２ １ 基金项 目： 国家重点基础研究发展计划 （ ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ ２ ２ ６ ８ ０ ５ ） ； 山东省 “ 泰 山学者” 建设 工程专项经 费 ； 山东省 自然科学 基金 （ Ｚ Ｒ ２ ０ １ １ Ｅ Ｅ Ｍ０ １ ９） 作者简介 ： 杨永杰 （ １ ９ ６ ４ 一） ， 男， 博士 ， 教授 ． Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ｙ ｙ Ｊ ． ６ １ ２ ５ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
第２ １ 卷１ 期
２ ０ １ ３年 ２月
应 用基 础与 工程科 学 学报
Ｊ ＯＵＲＮＡ Ｌ ＯＦ Ｂ ＡＳ Ｉ Ｃ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ ＡＮＤ ＥＮ ＧＩ Ｎ ＥＥ ＲＩ ＮＧ
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ５ ２ 文献标识码 ： Ａ
Ｖｏ １ ． ２１ ． Ｎｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ｕａ ｒ ｒ ｙ ２ ０ １ ３
杨永杰 ， 王德超 ２ ， 赵南南 ， 陈绍杰
（ １ ． 山东科技大学矿 山灾 害预 防控制 国家重点实验室培育基地 ， 山东 青岛 ２ ６ ６ ５ １ ０； ２ ． 山东大学岩土与结构工程
研究中心 ， 山东 济南 ２ ５ ０ ０ ６ １ ）
摘要 ： 利 用 ＭＴ Ｓ ８ １ ５岩石 伺 服 试验 系 统 和 Ａ Ｅ ２ １ Ｃ声 发 射 监 测 系统 对 煤 岩 进 行
损 伤 演 化过 程 。
关键词 ： 煤岩 ； 分级加载 ； 蠕变 ； 应力 阈值 ； 声发射 ； 损伤演 化
岩石 的流 变 特性 是 岩 石类 材 料 的重 要 力 学 性 质 ， 很多岩体工程 ， 包 括 地 下硐 室 、 岩 石边 坡 及 岩 基 等工 程 中 ， 其 强 度 在 长 期 静 载 作 用 下会 表 现 出逐 渐 降低 的 趋 势 ¨ ］ ． 煤 岩 由 于其 本 身 组分 、 结构 等 的 不 同又 表 现 出 与 其 它 岩 石 不 同 的流 变 特 性 ， 而 矿 山 井 下 的
煤岩流变特性 主要表现为蠕 变． 国内外 学者对煤 岩单 轴、 三 轴压缩条件下 的变形及声 发射特性进行了大量的研究 ， 取得 了较为丰富的成果 ２ 剖， 国外学者利用蠕变声发射规
律 对 复 合 材 料 的特 性研 究 较 多
很少．
， 但 是 有 关 煤 岩 在 蠕 变 条 件 下 的声 发 射 特 性 研 究 还
表 １ 煤岩蠕变试验结果
Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｃ ｒ ｅ ｅ ｐ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｓ
如上表所示葛亭煤 矿 ３ 煤 的平均蠕变应 力 阈值 为 １ ５ ． ８ ３ Ｍ Ｐ ａ ， 平均蠕变强度 为 １ ６ ． ５ ３ Ｍ Ｐ ａ ，
渐扩展 ， 声发射活动逐渐增强 ； 在 稳定 蠕变阶段煤岩蠕 变变形速率趋于平 稳， 新生裂 隙较少 ， 声发射事件少且 能量低 ； 在加速蠕变阶段煤体 内产生大量裂 隙 并逐 渐 发 育 至宏 观 破 裂 失稳 ， 储 存 的能 量在 较 短 的 时 间 内快速 释 放 ， 声发 射 事 件数及能量均达到最大值． 煤 岩 的声发射特征较好地反 映 了其蠕变过程 中的